一种基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及微纳光学器件技术领域，特别是涉及一种基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器。背景技术：2.亚波长微纳光栅结构是一种典型的微纳光子结构，近年来已经被广泛应用于光学生物传感和抗体抗原检测中。相比于其他类型的传感器，光学传感器具有耐腐蚀、抗电磁干扰、低成本等优势，被广泛应用于环境监测、化学分析、生物传感等领域。由于传统检测器件依赖于化学检测，检测效率低，将微纳光子学的发展与集成光学元件融合，设计微纳光栅型的传感器，通过光谱信息能够即时检测信息，有效提高传感器的性能，增加传感器准确度。3.常用的光学传感器结构包括微纳光纤、表面等离子体、谐振波导光栅等，相比其他结构，谐振波导光栅在实现光学传感时，有着易于光耦合、易于片上集成和无需荧光标记等优点。然而，传统的微纳光栅结构可调控的结构参数较少，难以实现高品质因子(q)和高灵敏度(s)的光学生物传感。近年来，研究者们将目光投向基于复合光栅结构的传感器研究，但是普通复合光栅受到q和s的相互制约，从物理机理上来说，实现高灵敏度的光栅传感器，需要光栅中更多的光场泄漏到低折射率的待检物质中；同时，获得高品质因子的光栅传感器，需要提升光栅对漏模光场的束缚能力。技术实现要素：4.本发明的目的是提供一种基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器，基于当前光学传感器的研究现状和谐振波导光栅的优势，结构简单，制备方便，通过设计凹型光栅结构，实现对不同模式的调控。5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：6.一种基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器，包括：两层复合光栅层和中间夹层，两层复合光栅层分别在所述中间夹层的上、下面，所述复合光栅层为凹型光栅结构，包括若干周期性单元，每个周期性单元包括若干周期或非周期排列的微纳光栅，所述微纳光栅远离中间夹层的一端刻蚀凹槽，所述微纳光栅的光栅横截面为凹型，相邻两个微纳光栅之间具有气隙。7.进一步的，所述复合光栅层采用高折射率材料，为si、gaas或sin。8.进一步的，所述中间夹层采用低折射材料，为bcb、su-8或sio2。9.进一步的，所述微纳光栅通过控制刻蚀凹槽的深度将光栅横截面变为矩形。10.进一步的，两层复合光栅层对称设置在所述中间夹层的上、下面。11.进一步的，所述集成光学传感器通过改变相邻两个微纳光栅之间的间距调控光栅的漏模谐振模式，通过改变中间夹层的厚度调控光栅的f-p腔模式，通过改变凹槽的刻蚀深度改变光栅横截面的形状。12.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器，主要由双层复合光栅层和中间夹层组成，该传感器用于气体传感时出现双谐振峰的现象，结构简单，加工方便，通过改变微纳光栅之间的间距可以调控光栅的漏模谐振模式；通过改变中间夹层的厚度可以调控光栅的f-p腔模式；通过改变光栅凹槽的刻蚀深度可以调控光栅横截面的形状，从而实现对品质因子和灵敏度的调控。该传感器由全介质材料构成，无损耗，拥有较高灵敏度的同时，还能获得很高的品质因子，在微纳光学器件领域的纳米等级传感方面具有很好的应用前景。附图说明13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。14.图1为本发明实施例一基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器的结构示意图；15.图2为本发明实施例二基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器的结构示意图；16.图3为本发明实施例二光学传感器在改变凹槽的刻蚀深度时两个谐振峰的光谱图；17.图4为本发明实施例二光学传感器的两个谐振峰随待测物质折射率变化时的反射光谱；18.图5为本发明实施例二光学传感器在复合光栅的间距改变时单双谐振峰的演变反射光谱；19.附图标记说明：1、中间夹层；2、上层复合光栅层；3、下层复合光栅层；4、周期性单元；5、微纳光栅。具体实施方式20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。21.本发明的目的是提供一种基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器，基于当前光学传感器的研究现状和谐振波导光栅的优势，结构简单，制备方便，通过设计凹型光栅结构，实现对不同模式的调控。22.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。23.如图1和如图2所示，本发明实施例提供的基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器，包括：两层复合光栅层和中间夹层1，两层复合光栅层包括上层复合光栅层2和下层复合光栅层3，分别在所述中间夹层1的上、下面，所述复合光栅层为凹型光栅结构，包括若干周期性单元4，每个周期性单元4包括若干周期或非周期排列的微纳光栅5，所述微纳光栅5远离中间夹层1的一端刻蚀凹槽，所述微纳光栅5的光栅横截面为凹型，相邻两个微纳光栅之间具有气隙，通过改变相邻两个微纳光栅5之间的间距调控光栅的漏模谐振模式，通过改变中间夹层1的厚度调控光栅的f-p腔模式，通过改变凹槽的刻蚀深度改变光栅横截面的形状。24.所述复合光栅层采用高折射率材料，为si(硅)、gaas(砷化镓)或sin(氮化硅)等。25.所述中间夹层采用低折射材料，为bcb(苯并环丁烯)、su-8(一种光刻胶)或sio2(二氧化硅)。26.所述微纳光栅5通过控制刻蚀凹槽的深度将光栅横截面变为矩形。27.上下两层复合光栅可以是关于中间夹层对称的也可以是非对称的。本发明实施例中两层复合光栅层对称设置在所述中间夹层1的上、下面。所述集成光学传感器通过改变检测物质的折射率变化实现液体或气体折射率传感；通过检测复合光栅层表面厚度的变化引起谐振峰的波长漂移，实现检测液体中生物分子的免疫识别。28.在本发明实施例中，所述中间夹层1选用的是折射率为1.54的bcb，微纳光栅5是折射率为3.47的硅(si)，其中中间夹层1的厚度h为1000nm。29.如图1所示，本发明实施例一中，所述周期性单元内包括三个微纳光栅，三个微纳光栅的高度为l，三个微纳光栅的宽度分别为w1、w2、w3；三个微纳光栅中相邻两个微纳光栅之间的间距分别为d1、d2；三个微纳光栅的凹槽深度为g1、g2、g3，凹槽宽度为x1、x2、x3，中间夹层的厚度为h。30.如图2所示，本发明实施例二中，所述周期性单元内包括2个微纳光栅，微纳光栅的高度l＝200nm，2个微纳光栅的宽度分别为w1＝w2＝200nm，2个微纳光栅的凹槽深度为g1＝g2，凹槽宽度为x1＝x2；相邻两个微纳光栅之间的距离d为205nm～350nm，即一个周期内包括两个矩形的微纳光栅结构，微纳光栅在x-z平面周期性排列，周期性单元为800nm，在y方向无限长，tm波垂直入射。31.针对实施例二，图3展示了一个周期内两个相同的微纳光栅5之间的距离为250nm时，该集成光学传感器在不同凹槽刻蚀深度下的反射光谱图。当刻蚀深度g＝0时该光栅的横截面为矩形，此时一个周期内包含两个相同的矩形光栅；当刻蚀深度g与凹型光栅的高度l相等时，一个周期内包含四个矩形光栅。随着刻蚀深度的增加，器件的品质因子提高。32.针对实施例二，图4展示了当凹槽的刻蚀深度g＝0时该光学传感器实例在不同折射率环境下两个谐振峰的反射谱图，选择复合光栅之间的距离为d＝205nm，对应检测物质的折射率分别为1、1.02、1.04、1.06、1.08、1.1。环境折射率变化会引起传感器输出光谱中心波长的漂移，进而实现光学折射率传感。计算得到第一个谐振峰的灵敏度为413nm/riu，品质因子为20113；第二个谐振峰的灵敏度为237nm/riu，品质因子为46550。33.针对实施例二，图5展示了当凹槽的刻蚀深度g＝0时该光学传感器在复合光栅间距改变时单双峰的演变情况。由图5可以看出，随着复合光栅间距的增加，两个谐振峰(非简并态)逐渐演变为一个谐振峰(简并态)，因此可以通过改变复合光栅的间距来控制器件谐振峰单双峰的演变情况，当从非简并态向简并态演化的过程中，器件的传感性能下降。34.通过图4和图5的分析，结合图3针对凹槽深度的光谱图，可以发现凹槽的存在提升了传感器的传感性能，凹槽深度越升，传感器性能能越好。35.本发明提供的基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器是一种基于全介质结构的双谐振峰传感器件，输出的双谐振峰可以独立存在，两个谐振峰一个拥有较高的灵敏度，一个拥有较高的品质因子。传统光栅传感器中通常存在s与q相互制约的问题，本发明中通过合理设计周期性单元内光栅的宽度、间距和刻蚀深度以及低折射率的夹层厚度等结构参数，调控光栅的漏模谐振模式和f-p腔模式，出现的bic态将s与q解耦，实现对不同折射率的气体、液体等待测物质的检测，在化学、医疗、集成光学等领域发挥重要作用。36.综上，本发明提供的基于双层凹型光栅结构的高通量集成光学传感器的技术优势体现在：(1)全介质结构的光学传感器无损耗，无生物毒性，使用寿命长；(2)本发明提出的结构可以通过改变凹槽的刻蚀深度改变光栅横截面的形状，从而优化传感性能；(3)反射谱中出现的双谐振峰具有较高的灵敏度和品质因子，便于检测和测量，可以同时提供两个检测点；(4)反射谱中出现的两个谐振峰可以通过调控结构参数灵活控制单双峰的演变；(5)本发明所述的光学传感器通过改变检测物质的折射率变化实现液体或气体折射率传感；通过检测复合光栅表面厚度的变化引起谐振峰的波长漂移，实现检测物质中生物分子的免疫识别，达到一个样品实现多种检测的用途。37.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。









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